220KV10KV变电所电气设计.doc

目 录前 言2内容摘要 31 电气主接线41.1主接线设计原则及要求41.2主接线设计方案52 变压器的选择72.1本站主变压器台数确定82.2所用变压器的容量的确定83 短路电流计算83.1 短路电流计算的目的、规定和步骤83.2 短路电流的计算方法103.3 短路电流计算表124 电力变压器的保护134.1 保护配置的原则134.2 瓦斯保护144.3 纵差动保护或电流速断保护144.4过电流保护154.5 零序保护165 主要电气设备选型175.1 电气设备选择的基础知识175.2 高压电气设备选择及校验186 计量柜二次回路276.3 补偿柜二次回路296.4 出线柜的设计32结 论33参考文献34前 言此次设计的特点是：对专业知识进行更好的巩固与吸收，我们进行了为期十天的设计。在这次设计中是对学习电气化专业综合性很好的一次训练，通过三年的学习，为此次设计打下了坚实的理论基础。设计题目“变电站220/10KV电力变压器保护设计”，它主要包括电气主接线设计、短路电流计算、电气设备选型、变压器各项整定计算等几个部分。通过这次设计巩固了所学课程的理论知识并掌握了电气设计基本方法，培养了独立分析和解决问题的能力，提高了工作能力和工程设计的基本技能。在设计过程中我们不但遇到了不少的难题，同时也发现了自己知识结构的薄弱环节，但在查资料后圆满的完成此次设计。本次使我得到了很大的进步，掌握了更多的专业知识。但是由于基础较差，设计中存在一些错误。望老师予以指正。内容摘要本次设计是变电站220/10KV电力变压器保护设计。着重培养学生对电力系统的基本设计能力，也特别注重培养对三年来所学的综合应用。全部内容共分六章，第一章概述，第二章电气主接线设计，第三章短路计算，第四章主要电气设备选择，第五章电力变压器保护，第六章中央信号设计，第七章配电装置设计以及计算书和电气设备主接线图的绘制。通过本次设计，我学习了设计的基本方法，巩固三年以来学过的知识，培养独立分析，并加深对变电站的理解。 本次设计历时十天，查阅了大量的相关资料，现已完成。在本人水平有限，有不足之处请老师见谅。关键词:电气主接线 短路计算 电气设备选择 变压器整定计算 1 电气主接线1.1主接线设计原则及要求变电所电气主接线是指变电所的变压器、输电线路怎样与电力系统相连接，从而完成输配电任务。变电所的主接线是电力系统接线组成中的一个重要组成部分。主接线的确定，对电力系统的安全、稳定、灵活、经济运行以及变电所电气设备的选择、和设备的控制方法的拟定将会产生直接的影响。1.1.1主接线设计原则第一变电所根据510年电网发展规划进行设计。在有一、二级负荷的变电所中宜采用双路电源供电装设两台主变压器，当技术经济比较合理时，可装设三台主变压器。装有两台及以上主变压器的变电所，当断开一台时，其余主变压器的容量不应小于60%的全部负荷，并应保证用户的一、二级负荷。变电所的主接线，应根据变电所在电力网中的地位、出线回路数、设备特点及负荷性质等条件确定。并应满足供电可靠，运行灵活，操作检修方便，节约投资和便于扩建等要求。主接线的可靠性要包括一次部分和相应组成的二次部分在运行中可靠性的综合。主接线的可靠性在很大程度上取决于设备的可靠程度。主接线应满足在调度，检修及扩建时的灵活性。主接线在满足可靠性、灵活性要求的前提下做到经济合理（即投资省、占地面积小，电能损失少）。35110kV线路为两回及以下时，宜采用桥形、线路变压器组成或线路分支接线。超过两回时，宜采用扩大桥形、单母线或单母分段的接线。3563kV线路为8回及以上时，亦可采用双母线接线。110kV线路为6回及以上时，宜采用双母线接线。在采用单母线、单母线分段或双母线的35110kV主接线中，当不允许停电检修断路器时，可设置旁路设施。当有旁路母线时，首先宜采用分段断路器或母联断路器兼作旁路断路器的接线。当110kV线路为6回及以上时，3563为8回及以上时，可装设专用的旁路断路器。主变压器35110kV回路中的断路器，有条件时亦可接入旁路母线。采用SF6断路器的主接线不宜设旁路设施。当变电所装有两台主变压器时，610kV侧宜采用单母线分段。线路为12回及以上时，亦可采用双母线。当不允许停电检修断路器时，可设置旁路设施。当635kV配电装置采用手车式高压开关柜时，不宜设置旁路设施。1.1.2主接线设计的基本要求在设计主接线时应使其满足供电的可靠性、灵活性和经济性三相基本要求：（1）可靠性供电可靠性是电力系统生产和分配的重要要求，所以研究主接线可靠性应满足要求是：重视国内外长期运行的实践经验及其可靠性的定性分析，主接线的可靠性的衡量标准是运行实践。其次，主接线的可靠性在很大程度上取决予设备的可靠程度，采用可靠性高的用电设备可以简化接线。最后，要考虑设计的变电所在电力系统中的地位和作用。在短路器检修时，不宜影响对系统的供电。在短路器或母线故障以及母线检修时，尽量减少停运的回路数和停运时间的长短，应尽量保证对重要用户的供电，避免全部停电的可靠性。(2)灵活性主接线应满足在调度、检修和扩建时的灵活性。首先，调度时应灵活的投入和切除发电机、变压器和线路调配电源和负荷，满足系统在事故运行方式、检修运行方式以及特殊运行方式下的系统调度要求。其次，检修时可以方便的停运断路器、母线等进行安全检修而不致影响电力网运行和对用户的供电。最后，扩建时可以容易的从初期接线过度到最终接线。(3)经济性主接线在满足可靠性、灵活性要求的前提下作到经济合理。首先，投资省主接线应简单清晰，以节约断路器、隔离开关等一次设备投资，适当限制短路电流以便选择价格合理的电器设备。其次，占地面积小电器主接线设计要为配电装置的布置创造条件，以便节约用地和节省构架导线、绝缘子，及安装费用。最后，电能损耗小、经济合理的选择主变压器的形式、容量和台数避免两次变压而增加电能损失。1.2主接线设计方案1.2.1两种方案的优缺点根据要求拟定一个可行性方案，并依据对主接线的要求，接线方案的优缺点来选择。方案一：单母分段带旁路接线图方案二：双母线接线图(1)单母分段带旁路接线的优缺点优点:1）母线经断路器分段后,对重要用户可以从不同段引出两个回路，有两个电源供电.2）一段母线发生故障时，分段断路器自动将故障段切除，保证正常段母线不间断供电,通过旁路母线代替故障段母线,缩短停电时间。缺点：3）闸操作比较复杂容易导致误操作. 4）接线所用设备多,配电装置复杂,经济性较差.(2)双母线接线的优缺点双母线的两组母线同时工作，并通过母线联络断路器并联运行，电源与负荷平均分配在两组母线上。由于母线继电器保护的要求，一般某一组母线连接，以固定连接的方式运行。优点：1）供电可靠。通过两组母线隔离开关的倒换操作，可以轮流检修一组母线而不致使供电中断；一组母线故障后，能迅速恢复供电；检修任一回路的母线隔离开关，只停该回路。2）调度灵活。各个电源和各回路负荷可以任意分配到某一组母线上，能灵活地适应系统中各种运行方式调度和潮流变化的需要。3）扩建方便。向双母线的左右任何一个方向扩建，均不影响两组母线的电源和负荷均匀分配，不会引起原有回路的停电。当有双回架空线路时，可以顺序布置，以致连接不同的母线段时，不会如单母线分段那样导致出线交叉跨越。4）便于试验。当个别回路需要单独进行试验时，可将该回路分开，单独接至一组母线上。缺点：1）增加一组母线和使每回路就需要增加一组母线隔离开关。2）当母线故障或检修时，隔离开关作为倒换操作电器，容易误操作。为了避免隔离开关误操作，需在隔离开关和断路器之间装设连锁装置。1.2.2方案的比较和方案的确定（1）可靠性的比较1) 220KV侧属于架空进线,方案一中的双母要比方案二中的单母带旁更加可靠。2) 10KV侧两个方案都是用的双母线接线不用比较。3) 10KV侧、类负荷占65%要求可靠性较高，不充许停电,如检修断路器方案二可以在不停电的情况下操作,而方案一就得考虑到过载所带来的后果。（2）灵活性的比较1) 220KV方案二带旁路要比双母线灵活。2) 10KV侧、类负荷占65%灵活性要求较高，两种方案均一样。经济性比较方案一的综合投资为Z=1741.48 （万元）方案二的综合投资为Z=1826.14 （万元）方案一的年运行费用为U=57.69 （万元）方案二的年运行费用为U=58.76 （万元） Z1Z2 U1U2经过以上各个方面的比较最后确定方案一为本次变电站设计的最终方案。1.3 经济比较经济比较对技术上较好的方案，分别进行投资及年运行费计算后，在通过经济比较，选出经济上最优的方案。在诸方案中，Z与u均为最小的方案优先选用。做Z大的方案而u小，或分之，则应进一步进行经济比较，比较的方法有下述两种：1.3.1 静态比较法：抵偿年限法：在两方案中，如综合投资Z1Z2，而年运行费U1U2，则可用抵偿年限T确定最优方案。根据当前国家经济政策，T规定5到8年为限。T小与5到8年的，采用Z大的方案一为最经济，应为方案一多投资的费用，可在T年内由节约的年运行费予以补偿。若T大于5到8年，表明方案一每年节约的年运行费，不足以在短期内将多用的投资偿还，在以选用初期投资小的方案二为宜。计算费用最小法：入在技术上相当的方案多于两个，可取T=5到8年，然后分别计算各方案的计算费用C，其中C最小的方案为最经济的方案（1）计算综合投资Z：Z=Z0(1+a/100)（万元）Z0=1024.4 57.12+(600+100)+50+532=1024.457.12为两台变压器的价格600+100为双母线加一回馈线投资的钱数50+532为屋内配电投资a为不明显的附加费用比例系数，一般220KV取70，110KV取90。Z=1024.4(1+70/100)=1741.48(万元)（2）变压器年电能损失总值A=n(P0+KQ0)T0+1/2n(P+KQ)(Smax/SN)(KWh)SN=一台变压器的容量（KVA）Smax=n台变压器承担的最大总负荷T0变压器全年实际运行小时数，一般可取8000；0为一台变压器的空载的短路有功损耗200(KW)Q0I0（%）SN/100（kvar）；=1.015%*60000/100=609为一台变压器的短路有功损耗（KW）638Q0Ud（%）Sd/100=1360000/100=7800A=n(P0+KQ0)T0+1/2n(P+KQ)(Smax/SN)(KWh)=2(281+0.1609)8000+1/2(1020+0.17800)(60000/60000) 4600=9610400（3）计算年运行费用uu=aA*10-4u1+u2(万元)u1小修、维护费，一般为（0.0220.042）Zu2折旧费，一般为（0.0050.058）Za电能电价，一般可取0.060.08元/（kwh）A变压器年电能损失总值9610400 (kwh)u=aA*10-4u1+u2(万元)=0.06*9610400*10-4+0.022+0.005=57.69经济比较方案2、220采用单母分段带旁路接线（1）计算综合投资ZZ=Z0（1+a/100）（万元）650单母分段带旁路接线的投资价格Z0=57.12(650+100)+50+325=1074.2(万元)Z=1024.4(1+70/100)=1826.14（2）变压器年电能损失总值A=9610400（3）计算年运行费用uu=aA*10-4u1+u2(万元)u1小修、维护费，一般为（0.0220.042）Zu2折旧费，一般为（0.0050.058）Za电能电价，一般可取0.060.08元/（kwh）A变压器年电能损失总值9610400(kwh)u=aA*10-4u1+u2(万元)=0.06*9610400*10-4+0.042+0.058=58.76 10KV侧方案一和方案二相同 不用比较表1-1 方案对比方案编号Z万元变压器年电能损失总值年运行费用u万元方案一1741.48961040057.69方案二1826.14961040058.76结论:通过两种方案的技术比较和经济比较由上表可知方案一比方案二经济,Z1Z2,U11，实际上相当于灵敏系数能提高kh=（1.151.2）倍。保护的动作电流Idz=307.26灵敏度校验：Klm=4.331.2 满足要求动作时限：t=3.5+0.5=4s选DL-31/10型电流继电器4.5 零序保护4.5.1中性点直接接地电网的零序后备保护配置及接线对于变压器高压侧和相邻元件单相接地短路，应装设变压器零序保护作为相邻元件，变压器高压绕组和引线的后备保护。零序保护装置与变压器中性点绝缘水平和接地方式有关。降压变电所变压器的零序保护：分级双绕组变压器，先跳开高压分段断路器，如接地故障在接地运行的一台变压器处，则使接地运行的一台变压器高压侧断路器跳闸。零序段：Idz.0=6.52KAT=主保护时间+t+分闸时间+熄弧时间T=0.5s+0.04s+14ms=0.554s校验：Klm=2.851.5(满足)零序段：I”dz.0=7.12KA校验：Klm=2.51.5(满足)T2=0.5+0.5+0.04+0.014=1.054s此次220/10kV大降压变电所的主变保护列表如下：表4-1 220/10kV大降压变电所的主变保护保护种类保护范围瓦斯保护（主保护之一）油箱内的各种故障，油面降低，铁芯烧损等纵差动保护（主保护之一）变压器绕组、套管及引出线过电流保护（复合电压起动的过电流保护）外部相间短路零序电流保护外部接地短路10KV屋内配电装置。采用两层配式布置，一层布置电流互感器、断路器；二层布置隔离开关、母线。5 主要电气设备选型导体和电器的选择设计，同样必须执行国家的有关技术经济政策，并应做到技术先进、经济合理、安全可靠、运行方便和适当留有发展余地，以满足电力系统安全经济运行的需要。5.1 电气设备选择的基础知识5.1.1 一般原则（1）应满足正常运行、检修、短路和过电压情况下的要求，并考虑远景发展的需要。（2）应按当地环境条件校核。（3）应力求技术先进和经济合理。（4）扩建工程应尽量使新老电器型号一致。（5）选择导体时应尽量减少品种。（6）选用的新产品均应具有可靠的试验数据，并经正式鉴定合格，在特殊情况下用未经正式鉴定的新产品时，应经上级批准。5.1.2 有关的几项规定导体和电器应按正常运行情况选择，按短路条件验算其动、热稳定，并按环境条件校核。电器的基本使用条件。（1）在正常运行条件下,按各回路最大持续工作电流选择。（2）验算导体和电器时，所用短路电流的有关规定见节（短路电流）（3）验算导体和110KV以下电缆短路热稳定时，所用的计算时间，一般采用后备保护动作。时间加相应的断路器全分闸时间。电器和110KV及以上充油电缆的短路电流计算时间，一般采用后备保护动作时间加相应的断路器全分闸时间。断路器全分闸时间包括断路器固有分闸时间和电弧燃烧时间。（4）验算短路热稳定时，导体的最高允许温度可参照发电厂电气部分课程设计参考资料P106表5-1所列数值。表5-1 导体的最高允许温度导体种类和材料短路时导体允许工作温度（C0）导体最长允许工作温度（C0）热稳定系数C值母线（铝）2007087（5）验算短路动稳定时，硬导体的最大应力大于表所列数值。表5-2 导体和电器的选择材料硬铜硬铝钢最大允许应力13710669106157106（6）环境条件。选择导体和电器时，应按当地环境条件校核。5.1.3 电器选择的基本要求在选择导体和电器时，一般按发电厂电气部分课程设计104页表57所列各项进行选择和校验。（1）技术条件：选择的高压电器，应能在长期工作条件下和发生过电压和过电流的情况下保持正常运行。1）长期工作条件：电压：选用的电器在允许最高工作电压Umax不低于该回路的最高运行电压Ug,即UmaxUg电流：选用的电器额定电流In不得低于所在回路在各种可能方式下的持续工作电流Ig,即：InIg2）短路稳定条件：校验的一般原则：电器在选定后应按最大可能通过的短路电流进行动稳定校验。校验的短路电流一般取三相短路时的短路电流，若发电机出口的两相短路，或中性点直接接地系统及自耦变压器等回路中的单相、两相接地短路较三相严重时，则应按严重情况校验。用熔断器保护的电器可不校验热稳定。当熔断器有限流作用时，可不验算动稳定。用熔断器保护的电压互感器，可不验算动、热稳定。（2）短路的热稳定条件：IttItdzIt-t秒内设备允许通过的热稳定电流有效值(kA)t-设备允许通过的热稳定电流时间(s)校验短路热稳定所用的计算时间tdz按下式计算：tdz=tb+tdtb-继电保护装置后备保护动作时间（s）td-断路器全分闸时间（s）3.短路的动稳定计算：imaxichich-短路冲击电流峰值（kA）imax-电器允许的极限通过电流峰值（kA）5.2 高压电气设备选择及校验5.2.1高压断路器的选择断路器型式的选择：除需满足各项技术条件和环境条件外，还考虑便于安装调试和运行维护，并经技术经济比较后才能确定。根据我国当前制造情况，电压6220kV的电网一般选用少油断路器，电压110330kV电网，可选用SF6或空气断路器，大容量机组釆用封闭母线时，如果需要装设断路器，宜选用发电机专用断路器。（1）断路器选择的具体技术条件如下：1）电压：UgUn Ug-电网工作电压2）电流：Ig.maxIn Ig.max-最大持续工作电流3）开断电流：Ip.tInbrIpt-断路器实际开断时间t秒的短路电流周期分量Inbr-断路器额定开断电流动稳定：ichimaximax-断路器极限通过电流峰值ich-三相短路电流冲击值热稳定：ItdzIttI-稳态三相短路电流tdz-短路电流发热等值时间It-断路器t秒热稳定电流其中tdz=tz+0.05由=I/I和短路电流计算时间t，可从发电厂电气部分课程设计参考资料P112，图51查出短路电流周期分量等值时间，从而可计算出tdz。5.2.2 隔离开关的选择隔离开关形式的选择，应根据配电装置的布置特点和使用要求等因素，进行综合的技术经济比较然后确定。参数的选择要综合考虑技术条件和环境条件。（1）选择的具体技术条件如下：1）电压： UgUn Ug-电网工作电压2）电流： Ig.maxIn Ig.max-最大持续工作电流3）动稳定：ichimax4）热稳定：ItdzItt5.2.3 互感器的选择互感器包括电压互感器和电流互感器，是一次系统和二次系统间的联络元件，用以分别向测量仪表、继电器的电压线圈和电流线圈供电，正确反映电气设备的正常运行和故障情况。互感器的作用：（1）一次回路的高电压和大电流变为二次回路标准的低电压和小电流，使测量仪表和保护装置标准化，小型化，并使其结构轻巧，价格便宜，并便于屏内安装。（2）使二次设备与高电压部分隔离，且互感器二次侧均接地，从而保证了设备和人身的安全。图5-1 断路器控制回路（1）电压互感器的选择1）电压互感器的配置原则：应满足测量、保护、同期和自动装置的要求；保证在运行方式改变时，保护装置不失压、同期点两侧都能方便地取压。2）母线：6220KV电压级的每相主母线的三相上应装设电压互感器，旁路母线则视各回路出线外侧装设电压互感器的需要而确定。3）线路：当需要监视和检测线路断路器外侧有无电压，供同期和自动重合闸使用，该侧装一台单相电压互感器。4）主变压器：根据继电保护装置、自动装置和测量仪表的要求，在一相或三相上装设。（2）型式：电压互感器的型式应根据使用条件选择：1）620KV屋内配电装置，一般采用油浸绝缘结构，也可采用树脂浇注绝缘结构的电压互感器。2）35110KV的配电装置，一般釆用油浸绝缘结构的电压互感器。3）220KV以上，一般釆用电容式电压互感器4）当需要和监视一次回路单相接地时，应选用三相五柱式电压互感器，或有第三绕组的单相电压互感器组。电压互感器三个单相电压互感器接线，主二次绕级连接成星形，以供电给测量表计，继器以及绝缘电压表，对于要求相电压的测量表计，只有在系统中性点直接接地时才能接入，附加的二次绕组接成开口三角形，构成零序电压滤过器供电给继电器和接地信号（绝缘检查）继电器。（3）一次电压U1：1.1UnU10.9UnUn为电压互感器额定一次线电压，1.1和0.9是允许的一次电压波动范围，即10% Un。（4）二次电压：电压互感器二次电压，应根据使用情况，按下表选用所需的二次额定电压。电压互感器二次额定电压选择表:表5-2 电压互感器二次额定电压选择绕 组主二次绕组附加二次绕组高压侧接入方式接于线电压上接于相电压上用于中性点接地用于中性点不接地二次额定电压（V）100100/100100/3（5）准确等级应在哪一准确等级下工作，需根据接入的测量仪表、继电器和自动装置等设备对准确等级的要求确定。用于电度表准确度不低于0.5级，用于电压测量，不应低于1级，用于继电保护不应低于3级。图5-2综合保护的电流保护及电压测量（2）电流互感器的选择根据电力工程电气设计手册1一次部分P71电流互感器的配置原则：1）凡装有断路器的回路均应装设电流互感器，其数量应满足测量仪表、保护和自动装置要求。2）在未设断路器的下列地点也应装设电流互感器，发电机和变压器的中性点、出口。3）对直接接地系统，一般按三相配置。对非直接接地系统，依具体要求按两相或三相配置。型式：电流互感器的型式应根据使用环境条件和产品情况选择。对于6-20KV屋内配电装置，可采用瓷绝缘结构或树脂浇注绝缘结构的电流互感器，对于35KV及以上配电装置，一般用油浸箱式绝缘结构的独立式电流互感器，有条件时，应尽量釆用套管式电流互感器。参数选择：电流互感器的二次侧额定电流有5A和1A两种，一般弱电系统用1A，强电系统用5A，当配电装置距离控制室较远时，亦可考虑用1A。一次额定电流的选择：当电流互感器用于测量时，其一次额定电流应尽量选择的比回路中正常工作电流大1/3左右，以保证测量仪表有最佳工作，并在过负荷时，使仪表有适当的指示。电力变压器中性点电流互感器的一次额定电流应按大于变压器允许的不平衡电流选择，一般情况下，可按变压器额定电流的1/3进行选择。当保护和测量仪表共用一组电流互感器时，只能选用相同的一次电流。一次侧额定电流: I1nIg.masI1n为电流互感器原边额定电流，Ig.mas为电流互感器安装处一次回路最大工作电流。一次侧额定电压：UnUgUg为电流互感器安装处一次回路的工作电压，Un为电流互感器额定电压。准确等级的选择：电流互感器准确等级的确定与电压互感器相同。需先知电流互感器二次回路所接测量仪表的类型及以准确等级的要求，并按准确等级要求最高的表计来选择。用于电能测量的互感器准确级：0.5功电度表应配用0.2级互感器；1.0级有功电度表应配用0.5级互感级；2.0无功电度表也应配用0.5级互感器；2.0级有功电度表及3.0级无功电度表，可配用1.0级互感器；一般保护用的电流互感器可选用3级，差动距离及高频保护用的电流互感器宜选用D级，零序接地保护可釆用专用的电流互感器，保护用电流互感器一般按10%倍数曲线进行校验计算。热稳定校验:电流互感器热稳定能力常以1s允许通过一次额定电流I1n来校验：(I1nKt)Itdz Kt为CT的1s热稳定倍数；动稳定校